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Montag, 16.01.2017
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Photonenfusion hilft Solarzellen

Umwandlung von energiearmem in energiereiches Sonnenlicht gelungen

Der Wirkungsgrad heutiger Solarzellen ist unter anderem dadurch beschränkt, dass sie den langwelligen, energiearmen Teil des Sonnenlichts nicht verwerten können. Nun ist es mithilfe zweier lichtaktiver Substanzen erstmals gelungen, diese ungenutzte Energiequelle anzuzapfen. Ein Forscherteam hat es geschafft, langwellige Lichtteilchen zu „fusionieren“ und dadurch in kurzwellige Photonen mit höherer Energie umzuwandeln. Ein vergleichbarer Erfolg gelang bislang nur mit Laserlicht hoher Energiedichte. Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe von „Physical Review Letters“ berichten, könnte dies der Grundstein für eine neue Generation effizienterer Solarzellen sein.
Solar-Experiment

Solar-Experiment

Mit dem neuen Verfahren gelang es den Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung und des Sony Materials Science Laboratory erstmals, Photonen aus gewöhnlichem Licht zu paaren und damit die Wellenlänge zu verändern. Sie nutzten zwei Substanzen (Platinoctaethylporphyrin und Diphenylanthracen), deren Lösung langwelliges, grünes Licht einer gewöhnlichen Lichtquelle in kurzwelliges, blaues Licht umwandelt. Analog zu den Vorgängen im Laserlicht werden auch hier Photonen gepaart, aber auf andere Weise.

Zwei Photonpartner vermittelt


Während bei der Manipulation mit Laserlicht ein Molekül zwei Photonen aufnimmt, was nur im regelrechten „Photonenbombardement“ eines Laserstrahls wahrscheinlich ist, empfangen die Moleküle hier nur ein Photon. Die Vermittlung zweier „Photonpartner“ geschieht zwischen den Molekülen über einen anderen Mechanismus, die so genannte Triplett-Annihilierung. Durch die Wahl verschiedener, aufeinander abgestimmter Vermittler-Moleküle, kann man die Energie von Photonen aus den gesamten Bereich des Sonnenspektrums addieren.

Die beiden von den Forschern als „Photonenvermittler“ entwickelten Substanzen haben ganz unterschiedliche Eigenschaften. Während die eine als „Antenne“ für grünes Licht dient (Antennen-Moleküle), paar die andere die Photonen, macht also aus zwei energiearmen, grünen Photonen ein energiereiches, blaues Photon, und sendet es als Emitter aus (Emitter-Molekül).


Übertragung des Energiepakets


Im Detail geschieht folgendes: Zunächst nimmt das Antennen-Molekül ein grünes, energiearmes Photon auf und gibt es als Energiepaket an das Emitter-Molekül weiter. Beide Moleküle speichern die Energie nacheinander in so genannten angeregten Zuständen. Anschließend reagieren zwei der Energie-beladenen Emitter-Moleküle miteinander, wobei das eine Molekül sein Energiepaket auf das andere überträgt. Danach ist ein Molekül im energiearmen Grundzustand. Das andere hingegen erreicht einen sehr energiereichen Zustand, der das doppelte Energiepaket speichert. Dieser Zustand zerfällt rasch wieder unter Aussendung des großen Energiepakets in Form eines blauen Photons. Obwohl dieses Lichtteilchen kurzwelliger und energiereicher ist als das anfangs eingestrahlte grüne Licht, wird unterm Strich keine Energie erzeugt, sondern vielmehr wird die Energie von zwei Photonen auf eines vereint.

Chemisch spannend ist der Vorgang, da für eine effiziente Energieübertragung die Moleküle fein aufeinander abgestimmt sein müssen und weder Antennen- noch Emitter-Molekül auf Schleichwegen ihre Energie verlieren dürfen. So galt es für die Forscher ein Antennen-Molekül zu synthetisieren, das langwelliges Licht absorbiert und dieses so lange speichert, dass die Energie auf einen Emitter übertragen werden kann. Dafür eignete sich nur eine komplexe, metallorganische Verbindung, die ein Platinatom in einem ringförmigen Molekül enthält. Das Emitter-Molekül wiederum muss in der Lage sein, die Energiepakete der Antenne zu übernehmen und diese zu halten, bis ein weiteres angeregtes Emitter-Molekül für die anschließende Photonenfusion gefunden ist.

Da auf diese Weise bislang ungenutzte Anteile des Sonnenlichts für Solarzellen verwertbar gemacht werden, bietet dieses Verfahren den idealen Ausgangspunkt für effizientere Solarzellen, hoffen die Wissenschaftler. Um diesen Prozess zu optimieren und einer Anwendung näher zu bringen, erproben sie neue Substanzpaare für weitere Farben des Lichtspektrums und versuchen, diese in eine Polymermatrix zu integrieren.
(Max-Planck-Institut für Polymerforschung, 10.10.2006 - AHE)
 
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